Co to jest druk funkcjonalny?

28 sty 2021 15:00

Czy druk funkcjonalny odegra znaczącą rolę w przyszłej rewolucji przemysłowej? Według ekspertów i obserwatorów ma on w każdym razie silny potencjał, z aplikacjami we wszystkich sektorach. Fons Put, starszy konsultant VIGC (Niderlandzkie Innowacyjne Centrum Komunikacji Graficznej) śledzi z bliska ewolucje zachodzące w tej szczególnej branży.

Druk jako ostateczna technologia produkcji

Produkcję poligraficzną można opisać jako zdolność do precyzyjnego nanoszenia warstw farby na wielką różnorodność podłoży. 

Rezultat widzimy codziennie w postaci kolorowych opakowań, etykiet, billboardów, ulotek promocyjnych, gazet i magazynów. Inne branże odkryły także dodatkowe zalety tej produkcji: niski koszt, wydajne wykorzystanie materiałów i stałe wymiary. Karty elektroniczne (PCB – Printed Circuit Board) znajdujące się w naszych laptopach i smartfonach są tu dobrym przykładem. Tradycyjnie są one produkowane przez grawerowanie miedzianych przewodników na sztywnej epoksydowej płytce. Zastępując grawerowanie przez druk farbami przewodzącymi prąd na giętkich foliach znacząco zmniejsza się koszty, unikając jednocześnie zanieczyszczenia środowiska odpadami chemicznymi. 

Przedsiębiorcy świadczący usługi poligraficzne inwestowali dawniej w technologie przejściowe, zwłaszcza w wielkoformatowe skanery przeznaczone do cyfryzacji filmów. Sektor PCB przechodzi dziś podobną ewolucję. Drukarki atramentowe są używane do bezpośredniego druku na karcie do grawerowania. Ostatecznym celem jest zastąpienie zanieczyszczającego środowisko grawerowania przez bezpośredni druk farbami przewodzącymi. 

Druk funkcjonalny

Bezpośredni druk farbami przewodzącymi i funkcjonalnymi jest bardzo rentowny. IDTechEx, federacja przemysłu elektroniki drukowanej, określiła najaktywniejsze sektory przemysłowe: ekrany OLED, elektronika formowana, drukowane elastyczne czujniki.

Zastąpienie grawerowanego przewodnika miedzianego przez jego odpowiednik drukowany niesie za sobą wiele wyzwań: powłoka farby drukarskiej musi być na tyle gruba, aby zapewnić wystarczające przewodnictwo prądu elektrycznego, bez przerwy w żadnym punkcie obwodu, bez oksydacji itp. 

Materiały

Farba wzbogacona maleńkimi cząsteczkami metalicznymi może przewodzić prąd elektryczny. Im mniejsze są cząsteczki, tym lepsze przewodnictwo: farby z nanocząsteczkami (mniejszymi niż 200 nm) mają najlepsze właściwości przewodzące, lecz jednocześnie są dużo droższe niż te zawierające cząstki o rozmiarach mierzonych w mikrometrach. Rodzaj metalu także ma wpływ na ich skuteczność i cenę: srebro jest droższe niż miedź czy aluminium, lecz stanowi lepszy przewodnik i nie ma ryzyka utraty jego własności przewodzących w wyniku oksydacji. Farby na bazie srebra są standardem i mogą być stosowane w sitodruku, we fleksografii i w inkjecie.

Istnieją także farby przewodzące na bazie polimerów. Agfa jest depozytariuszem patentu na PEDOT: PSS, polimer przewodzący dostępny także w postaci farby. 

Wybór odpowiedniego podłoża jest równie ważny jak wybór farby. Nie należy drukować farbą zawierającą srebro na papierze niepowlekanym. Szorstka powierzchnia podłoża spowoduje przerwy w obwodzie i usterki w przewodzeniu prądu. Podłoża przeznaczone do druku farbami przewodzącymi muszą być bardzo gładkie, zachowywać stabilność niezależnie od temperatury i posiadać dobrą odporność na rozpuszczalniki.

Często stosowane są tworzywa takie jak PET, PEN i poliester stabilny termicznie (Melinex, Mylar). W Europie wciąż jednak trwają badania nad aplikacjami na bazie papieru i kartonu. 

Procesy drukowania

Nieodłączne wyzwania związane z drukiem elektroniki nie różnią się od tych związanych z procesem poligraficznym: precyzja, rozdzielczość wystarczająca do reprodukcji cienkich linii, powłoka farby zapewniająca dobre przewodnictwo, suszenie i utrwalanie mokrej farby z uwzględnieniem tolerancji materiału.

Sitodruk jest dominującym procesem w drukowaniu farbami przewodzącymi. Jest to proces prosty i solidny, zapewniający odpowiednią grubość warstwy farby. W połączeniu z cienkim ekranem metalicznym i naświetlaniem laserem można drukować sitodrukiem struktury składające się z linii rzędu 50 mikronów. Wklęsłodruk, flekso, a nawet offset są również możliwe do wykorzystania, jednakże obok sitodruku procesem najczęściej stosowanym do drukowania elektroniki jest inkjet. Przewodność drukowanego przewodnika może być polepszona przez spiekanie powłoki farby. Podgrzewanie jej w piecu lub poddanie spiekaniu fotonicznemu zwiększa powierzchnię kontaktu cząsteczek metalu, zwiększając także przewodność.

Aplikacje

Produkty druku funkcjonalnego są adresowane do różnych rynków. Potentat chemiczny, firma Henkel oferuje na przykład drukowane arkusze folii grzewczej: przewodniki i oporniki termiczne są drukowane sitodrukiem na folii przeznaczonej głównie do produkcji ogrzewanych siedzeń w pojazdach lub elementów ogrzewania podłogowego.

Kilka bardzo dobrych koncepcji pojawiło się ostatnio na rynku etykiet. Na przykład świecące etykiety niemieckiej firmy INURU, bazujące na elementach OLED zadrukowanych inkjetem i zasilanych przez zintegrowane baterię oraz wyłącznik. Coca Cola wykorzystała tę aplikację w specjalnej serii Star Wars.

Polska firma Talkin' Things wkracza coraz śmielej na rynek inteligentnych etykiet, zwłaszcza poprzez współpracę z Verstraete IML (In-mould Labels). Jej najnowsza realizacja dotyczy etykiet NFC/RFID, dla których wdrożono najbardziej oszczędną metodę aplikacji chipu na antenie drukowanej. Za cenę ok. 0,03 USD można ją połączyć z produktem. Te etykiety otwierają drzwi do aplikacji w różnych dziedzinach takich jak: logistyka, potwierdzenie autentyczności produktu, automatyczna identyfikacja przy kasie i nowe formy doświadczeń konsumenckich.

Na koniec przykład Quad Industries, flamandzkiego przedsiębiorstwa o długiej tradycji w rozwoju interfejsów człowiek-maszyna. Ten specjalista w dziedzinie sitodruku farbami przewodzącymi zawarł partnerstwo z firmą Byteflies. Ich wspólny produkt – drukowany czujnik przeznaczony do śledzenia funkcji życiowych jest przykładem sposobu, w jaki połączenie druku i technologii może generować cenną wartość dodaną.

Na podstawie artykułu Fonsa Puta „Qu’est-ce que l’impression fonctionnelle?”, „Nouvelles Graphiques” nr 9/2020 opracowała IZ